Introduction
관비(fertigation)란 관개(irrigation)과 시비(fertilization)의 합성어로 관개수에 수용성 비료를 혼합하여 작물에 공급하는 방법이다. 관비재배는 관수방법에 따라 분사식(spray fertigation), 점적식(drip fertigation) 및 지중식(sub-surface drip fertigation)으로 구분되며, 분사식은 스프링클러와 같은 분사기구에 통해 엽면 또는 표층에 공급, 점적식과 지중식은 작물의 근권부에 공급하는 방식이다(Bar-Yosef, 1999; Mali et al., 2017). 토양의 보수∙보비 및 완충능력을 활용하는 관비재배는 최적 양분관리방법인 4R (right source, right rate, right time, and right place)을 바탕으로 근권부에 양수분을 공급할 수 있어, 1) 양수분의 이용효율성 향상, 2) 수확량 및 품질 향상 및 3) 환경부하 경감 등의 효과를 얻을 수 있다(Hagin and Lowengart, 1996; Bruulsema et al., 2009). 양분 흡수∙이용효율은 질소, 인산 및 칼륨이 각각 90 - 95, 40 - 45% 및 70 - 80%로, 표층시비에 비해 2배 이상 향상시킬 수 있다(Sandal and Kapoor, 2015). 또한, 관비재배의 높은 양분 이용효율은 토양 중 과도한 염류집적(Jin et al., 2004)과 용탈에 따른 지하수 오염(Abbasi et al., 2014) 등의 부작용을 경감할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 관비자재 및 관비기술의 발달은 양수분의 효율적 활용, 작물 수확량 증대뿐만 아니라 농작업의 편리성으로 인해, 시설재배지에서 광범위하게 활용되고 있으며, 최근에는 노지작물을 대상으로 관비재배기술의 개발과 현장활용이 활발하게 진행되고 있다.
따라서, 본 리뷰논문에서는 작물생산 과정 중 양수분의 효율성을 분석하는 방법들을 살펴보고, 특히 시설재배 작물의 관비효과를 평가하여 자원의 효율적 활용차원에서 관비(시설, 노지)의 현장적용 증대를 위한 연구방향과 고려해야할 사항을 제시하고자 한다.
Water/nutrient use efficiency
작물생산에 소요된 물과 양분의 효율성을 평가하는 방법은 많은 연구자들에 의해 물과 양분의 이용효율을 평가하는 방법이 제안되었지만, 본 논문에서는 가장 보편적으로 활용되는 몇 가지 방법으로 정리하였다(Table 1).
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Table 1. Definition and equation of some universal water/nutrient use efficiencies. 
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RUE, resource use efficiency |
작물과 수분과의 관계를 평가하는 방법은 요수량(물소모량/단위 건물생산량)과 수분이용효율(건물생산량/단위 물소모량)으로 구분할 수 있는데, 수분이용효율 평가의 측면에서는 후자를 바탕으로 한다. 시설재배의 경우, 단위 물소모량은 관개량으로, 노지재배는 단위 물소모량은 천연공급량 + 관개량을 적용하는 차이가 있다(Singh et al., 2019). 양분이용효율은 공급된 양분에 대한 수량으로 평가하는데(Singh et al., 2019; Contreras et al., 2020a) 일반적으로 작물의 필수 무기원소 중에 질소의 이용효율을 평가하는 것이 가장 광범위하게 활용되고 있다. 질소의 이용효율(nitrogen use efficiency, NUE)는 질소흡수효율(nitrogen uptake efficiency, NUpE)와 질소활용효율(nitrogen utilization efficiency, NUtE)의 곱으로 결정된다(Huang et al., 2018). 질소이용효율은 질소의 공급량과 흡수량 외에 작물의 생산량도 관여한다. 또한, 질소이용효율을 보다 세부적으로 평가하기 위한 몇 가지 방법들이 제시되었는데(Yasuor et al., 2013), 작물학적 질소이용효율(agronomic NUE, ANUE), 생물량 질소이용효율(Biomass NUE, BNUE) 및 작물생산성 질소이용효율(plant production NUE, PPNUE)이다. ANUE는 질소공급량에 대한 상품성이 있는 수확물을, BNUE는 질소공급량에 대한 전체 생물량을, PPNUE는 질소흡수량에 대한 상품성이 있는 수확물을 평가하는 것으로 연구자의 질소이용효율 평가 방향에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
Effects of fertigation
시설재배면적의 확대에 따라 국내외에서 수행된 관비연구는 2000년 이후로 약 16,900건(Google scholar, 2022)에 이르고 있으며, 국내에서도 많은 연구가 이루어져 2018년 기준 농촌진흥청 ‘농사로’에 등록된 관비관련 연구는 80여건에 이른다. 본 리뷰에서는 국내에서 주로 재배되는 시설재배작물 중, 연구목적에 부합하는 일부 자료만을 선택하여 분석하였다(Table 2).
화학비료와 유기질비료(축산분뇨, 농산부산물 등)은 시설작물 관비재배에서 주된 비료원으로 활용되고 있다(Table 2). 화학비료의 경우, 질소는 질산염(질산칼륨, 질산칼슘, 질산마그네슘), 암모늄염(질산암모늄, 황산암모늄) 및 요소(urea)가 가장 일반적으로 사용된다. 질산염은 용해도가 높아 토양 중 이동성이 크고, 토양수를 따라 150 cm 이상의 깊이까지 이동하는 특성을 보인다. 반면, 암모늄염은 토양 콜로이드 입자에 결합되기 쉬워 이동성이 낮으며, 요소는 용해도가 높지만 암모늄으로 전환되어 토양 중 이동성이 크지 않은 경향을 보인다(Hanson et al., 2006). 인산은 음이온형태로 토양에 존재하지만 토양 콜로이드 입자에 강하게 흡착되며, 인삼염 형태로 결정화되어 전량 기비의 형태로 공급하지만, 염수와 공급하는 경우에는 효과가 있는 것으로 보고된 바 있다(Ma et al., 2020; Muhammad et al., 2021). 칼륨은 토양 콜로이드 입자에 쉽게 흡착되어 근권으로의 이동이 높지 않으나, 양이온치환용량(cation exchangeable capacity, CEC)가 낮은 경우 이동성이 증가하는 특성을 보인다. 토양 중 비료원들의 용해 및 이동 특성을 바탕으로 적시에 적량을 근권에 공급하는 관비를 통해 양분의 흡수율 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 유기질비료는 낮은 농도이지만 작물이 필요로 하는 필수영양원소를 포함하고 있어, 관비를 이용한 유기농업뿐만 아니라 관행농업에서도 활용되는 비료원이다.
관비로 공급되는 비종에 따라서도 작물의 수량 및 양분이용효율에도 영향을 미치는데, 시설 고추를 포함한 주요 시설작물(9작물)에 대한 효과를 분석하였다(Table 2). 일부 예로써, 딸기 관배재배시 생육, 수량, 토양전기전도도(electrical conductivity, EC)에 대한 효과를 고려할 때, 질소 공급원으로는 요소가 칼리 공급원으로는 황산칼리가 적합한 공급원이라고 보고하였다(Kim et al., 2009). 토마토 관비재배시 칼륨 공급원으로 질산칼륨, 염화칼리 및 염화칼리+염화마그네슘을 각각 처리하였을 때, 염화칼륨 + 염화마그네슘 혼용처리에서 토마토 과실의 품질이 가장 양호하였다(Chapagain and Wiesman, 2004). 토마토 관비재배시 등 다른 토양pH가 다른 조건(pH 6.9, pH 8.8)일 때, 높은 pH조건에서 수량이 감소하였지만, 질산암모늄 또는 황산암모늄 처리에 의해 수량 감소가 억제되었으며, 낮은 pH조건에서는 비종보다는 관비 농도가 증가할수록 수량이 증가하는 경향이 보였다(Kang et al., 2010). 유기질 액비는 화학비료의 사용을 감소시키거나 대체할 수 있는 수용성 비료로 관비 재배에 이용될 수 있다. 어분액비 100 mg·L-1 처리시 화학비료를 대체할 수 있어 유기농업에서 활용 가능하다(An et al., 2017). 토양검정에 의한 질소 기준 돈분액비 농도는 화학비료 대비 수확량에 대해 유의한 차이를 보이지 않아 화학비료를 대체할 수 있는 자원으로 평가되었다(Park et al., 2010). 또한 밑거름의 형태로 유기질 비료를 사용하는 경우 지효성인 유기질 비료의 특성으로 인해 토양의 양분 가용성의 지속적인 효과를 얻을 수 있는데, 관비재배시 밑거름으로 유기질 비료를 공급하였을 때 작물의 수량과 품질향상에 대한 효과가 일부 연구에서 입증되었다(Zhang et al., 2009; Lee et al., 2012; Selim and Ali-Mosa, 2012; Uhm et al., 2012; Khaitov et al., 2019; Machado et al., 2020). 따라서, 관비를 이용한 작물재배에서 작물 별 전생육기간 양분의 요구량, 토양 중 양분 가용성 및 토양의 이화학적 특성을 사전에 파악하는 것이 최적 관비 재배조건을 확립하는데 우선적으로 고려해야 할 사항으로 판단된다.
앞서 기술한 양분 요구량, 양분의 유형 이외에 고려해야할 사항은 작물 별 관수개시점의 설정이다. 11개의 작물을 대상으로 관수 개시점 설정에 대한 연구결과를 정리하였다(Fig. 1). 대부분의 관수 개시점은 작물의 생육단계에 따라 변화를 주었는데, 대체로 -10 – -40 kPa의 범위로 나타났다. 이는 농촌진흥청에서 권장하는 작물의 관수개시점(-20 – -33 kPa)와 물절약을 위한 관수개시점(-33 – -50 kPa)의 범위와 상당히 일치하는 것으로 확인되었다.
Conclusions
국내의 많은 시설재배 농가에서는 관비시스템(전체 시설농가의 약 50%)을 활용 중에 있으며, 최근에는 노지작물에 대한 관비시스템 적용이 시도되고 있다. 관비시스템 도입을 통한 작물의 생산성과 양분이용효율 평가와 관련된 연구사례를 분석하였을 때, 작물 수량과 양분의 이용효율이 향상된다는 것을 확인하였다. 관비 효과의 향상을 위해서는 작물 별 양분요구량 및 토양 중 양분의 가용성을 평가하는 것이 중요하다는 것을 제시하였다. 또한, 작물의 생육단계별 관수 개시점과 관비 횟수의 설정도 중요한 의사결정 사항이다. 본 리뷰 논문이 시설 재배작물 농가의 직접적 활용, 농업기술센터 담당자들의 교육활용자료 및 노지작물 관비 방법 개발 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 향후 관비처방 기술 고도화를 위한 연구가 진행되길 제안한다.
